第1章常用半导体器件及其应用

LOGO模拟电子技术与应用大连职业技术学院制作：陈彤王媛王晓芳模拟电子技术与应用第1章常用半导体器件及其应用本章要点⑴半导体器件的基础知识⑵半导体二极管的基本知识与应用⑶整流、滤波电路的分析与应用模拟电子技术与应用⑷晶体管的基本知识与应用⑸场效应晶体管的基本知识⑹直流稳压电路的分析与应用模拟电子技术与应用1.1半导体的基础知识1.1.1半导体的特性1.热敏特性半导体对温度很敏感，其电阻率随着温度的升高而显著减小。利用这一特性制成了各种自动控制装置中常用的热敏电阻传感器和能迅速测量物体温度变化的半导体点温计等。模拟电子技术与应用2.光敏特性半导体对光照很敏感，光照射时，其电阻值会显著减小。利用这一特性制成了光敏电阻、光电二极管、光电三极管及太阳能电池等。3.杂敏特性半导体对杂质很敏感，在纯净的半导体中掺入微量杂质，可以显著改变它的导电能力。利用这一特性制成了不同性能、不同用途的半导体器件，如二极管、三极管等。模拟电子技术与应用1.1.2半导体的结构一般半导体都是晶体结构，所以半导体管又叫做晶体管。最常见的半导体材料为硅和锗，它们的结构如图所示。硅和锗原子结构平面示意图模拟电子技术与应用1.1.3本征半导体1.本征半导体中的两种载流子自由电子带负电荷，空穴是因为原子失去电子而产生的，故带正电荷。由于它们都是携带电荷的粒子，因此称自由电子为电子载流子，称空穴为空穴载流子。模拟电子技术与应用2.两种导电方式半导体中将会出现两部分电流：一部分是自由电子在外电场作用下逆电场方向运动形成的电子电流；另一部分是空穴在外电场作用下顺电场方向运动形成的空穴电流。3.自由电子和空穴的复合因为热运动中自由电子和空穴两者如果相遇，则空穴会被自由电子填补掉，两种载流子就会一起消失，这个过程称为复合。模拟电子技术与应用1.1.4杂质半导体1.P型（空穴型）半导体掺入硼杂质的硅（或锗）半导体中就具有相当数量的空穴载流子，这种半导体主要靠空穴导电，所以被称为空穴型半导体，简称为P型半导体。在P型半导体中，不但有数量很多的空穴而且还有少量的自由电子存在，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。模拟电子技术与应用2.N型（电子型）半导体掺入磷杂质的硅（或锗）半导体中就具有相当数量的自由电子载流子，这种半导体主要靠自由电子导电，所以被称为电子型半导体，简称为N型半导体。在N型半导体中，不但有数量很多的自由电子而且还有少量的空穴存在，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。模拟电子技术与应用1.1.5PN结通过一定的生产工艺把一块半导体的P区部分和N区部分结合在一起，则它们的交界处就会形成一个具有特殊性能的薄层，称为PN结。PN结具有单向导电性，它是二极管、三极管、晶闸管以及半导体集成电路等半导体器件的核心部分。1.PN结的形成模拟电子技术与应用2.PN结的特性外加正向电压时，PN结的正向电阻很小，正向电流较大，是多数载流子的扩散运动形成的，此时PN结正向导通。外加反向电压时，PN结的反向电阻很小，反向电流很小，是少数载流子的漂移运动形成的，此时PN结反向截止。PN结的这种特性称为单向导电性。模拟电子技术与应用1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构和类型从二极管P区引出的外引线称为二极管的阳极，将从二极管N区引出的外引线称为二极管的阴极。二极管的符号如图所示，其中三角箭头表示正向电流的方向，正向电流从二极管的阳极流入，阴极流出。模拟电子技术与应用二极管的结构和符号模拟电子技术与应用二极管有许多种类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型；从材料上分，由硅二极管和锗二极管；从用途上分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等。模拟电子技术与应用1.2.2二极管的伏安特性根据理论分析，PN结两端的电压与流过PN结的电流之间的关系可表示为：1.PN结的伏安特性方程)1(TuuseII此式称为理想二极管电流方程。式中，IS称为PN结的反向饱和电流，UT称为温度的电压当量，常温下UT≈26mV。U和I的参考方向都是由P指向N的。模拟电子技术与应用当二极管承受正向电压小于某一数值(称为死区电压)时，还不足以克服PN结内电场对多数载流子运动的阻挡作用，这一区段二极管正向电流很小，称为死区。通常，硅材料二极管的死区电压约为0.5V，锗材料二极管的死区电压约为0.1V。2.二极管的伏安特性1）正向特性模拟电子技术与应用当正向电压超过死区电压值时，外电场抵消了内电场，正向电流随外加电压的增加而明显增大，二极管正向电阻变得很小。当二极管完全导通后，正向压降基本维持不变，称为二极管正向导通压降UF。一般硅管为0.7V，锗管为0.3V。模拟电子技术与应用当二极管承受反向电压时，外电场与内电场方向一致，只有少数载流子的漂移运动，形成的漏电流IR极小，这时二极管反向截止。当反向电压增大到某一数值时，反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为二极管反向击穿。击穿时对应的电压UBR称为反向击穿电压。2）反向特性模拟电子技术与应用二极管的伏安特性曲线模拟电子技术与应用1.2.3二极管的主要参数1）第一部分用阿拉伯数字表示器件的电极数目：2代表二极管；3代表三极管。2）第二部分用汉语拼音字母表示器件的材料：A、B是锗材料；C、D是硅材料。3）第三部分用汉语拼音字母表示器件的用途。4）第四部分用阿拉伯数字表示序号。5）第五部分用汉语拼音字母表示规格号。1.二极管的型号命名法模拟电子技术与应用1）最大整流电流IFM：是指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流值。2）最高反向工作电压URM：是指二极管不击穿所允许加的最高反向电压。3）最大反向电流IRM：是指二极管在常温下承受最高反向工作电压时的反向漏电流。4）最高工作频率fM：是指保持二极管单向导通性能时，外加电压允许的最高频率。2.二极管的主要参数模拟电子技术与应用1.2.4二极管的应用二极管在数字电路中应用时，常将其理想化为一个无触电开关器件。二极管正向导通时，其正向压降为0，相当于开关闭合。二极管反向截止时，其反向电流为0，相当于开关断开。1.开关模拟电子技术与应用所谓的整流，就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过滤波、2.整流3.钳位利用二极管正向导通时压降很小的特性，可模拟电子技术与应用利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值以内。4.限幅5.元件保护在电子线路中，常用二极管来保护其他元器模拟电子技术与应用1.2.5特殊二极管硅稳压二极管简称稳压管，是一种特殊的二极管，它与电阻配合具有稳定电压的特点。1.稳压二极管1）稳压二极管的伏安特性稳压二极管伏安特性及符号模拟电子技术与应用稳压管正向偏压时，其特性和普通二极管一样；反向偏压时，开始一段和二极管一样，当反向电压达到一定数值以后，反向电流突然上升，而且电流在一定范围内增长时，管两端电压只有少许增加，变化很小，具有稳压性能。这种“反向击穿”是可恢复的，只要外电路限流电阻保障电流在限定范围内，就不致引起热击穿而损坏稳压管。模拟电子技术与应用2）稳压二极管的主要参数（1）稳定电压值UZ：稳压管在正常工作时管子（2）稳定电流IZ：稳压管正常工作时的参考电流。（3）动态电阻RZ：稳压管端电压的变化量与对应电流变化量之比。（4）稳定电压的温度系数：当温度变化1℃时稳压管的稳压值的相对变化量。（5）稳压管额定功耗PZM：保证稳压管安全工作所允许的最大功耗。模拟电子技术与应用3）稳压二极管的应用稳压二极管用来构成的稳压电路，如图所示。UI是不稳定的可变直流电压，希望得到稳定的电压UO，故在两者之间加稳压电路。它由限流电阻R和稳压管VDz构成，RL是负载电阻。稳压管稳压电路模拟电子技术与应用2.发光二极管1）发光二极管的符号及特性发光二极管符号和伏安特性曲线模拟电子技术与应用发光二极管是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED(LightEmittingDiode)。发光二极管和普通二极管相似，也由一个PN结组成。发光二极管在正向导通时，由于空穴和电子的复合而发出能量，发出一定波长的可见光。光的波长不同，颜色也不同。发光二极管的伏安特性如图所示。它和普通二极管的伏安特性相似，只是在开启电压和正向特性的上升速率上略有差异。当所施加正向电压时，正向电流几乎为零，但电压一旦超过开启电压时，电流急剧上升。模拟电子技术与应用2）发光二极管的应用（1）电源通断指示电路。电源通断指示发光二极管作为电源通断指示电路，通常称为指示灯，在实际应用中给人提供很大的方便。（2）数码管。数码管是电子技术中应用的主要显示器件，它是用发光二极管经过一定的排列组成的。要使它显示0-9的一系列数字只要点亮其内部相应的显示段即可。数码管应用十分广泛，凡是需要指示或读数的场合，大都可采用数码管显示。模拟电子技术与应用3.光电二极管1）光电二极管的结构与工作原理光电二极管又叫光敏二极管，它是一种将光信号转换为电信号的器件。光电二极管的基本结构也是一个PN结，但管壳上有一个窗口，使光线可以照射到PN结上。光电二极管工作在反偏状态下。无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小，被称为暗电流。当有光照时，其反向电流随光照强度的增加而增加，被称为光电流。模拟电子技术与应用光电二极管符号和特性曲线模拟电子技术与应用2）主要参数（1）电参数:光电二极管的主要电参数有暗电流、光电流和最高工作电压。（2）光参数:光电二极管的主要光参数有光谱范围、灵敏度和峰值波长等。3）主要应用光电二极管作为光电器件，广泛应用于光的测量和光电自动控制系统。模拟电子技术与应用4．变容二极管变容二极管是利用PN结结电容效应的特殊二极管。变容二极管被广泛应用于谐振回路中。例如，在电视机中就使用它作为调谐回路的可变电容器，实现电视频道的选择。在高频电路中的应用也很多，可用于自动调谐、调频、调相等。5．激光二极管激光是由人造的激光器产生的，在自然界中尚未发现。激光二极管的应用非常广泛，计算机的光驱、激光唱机和激光影碟机中都少不了它。模拟电子技术与应用1.3单相整流滤波电路1.3.1单相半波整流电路1.单相半波整流电路的构成单相半波整流电路如图所示。它由变压器T，整流二极管VD及负载电阻RL组成。其中u1、u2分别表示变压器的原边和副边交流电压。变压器将电网交流电压u1变成整流电路所需的交流电压u2。二极管只允许正向电流通过。负载上的电压为整流输出电压uO。模拟电子技术与应用单相半波整流电路模拟电子技术与应用2.单相半波整流电路的工作原理设变压器的次级电压为u2=U2sinωtV，认为变压器和二极管是理想器件。在u2的正半周，变压器副边电压极性是上正下负，二极管因承受正向电压而导通。此时负载电阻RL上输出波形与u2相同。在u2的负半周，变压器副边电压极性是上负下正，二极管因承受反向电压而截止。u2的电压全部加在二极管VD上。整个周期内负载电阻RL上只有半个周期的电压，即负载电阻RL上得到的是半波整流电压uo。模拟电子技术与应用单相半波整流电路电压、电流的波形模拟电子技术与应用在上图所示电路波形中，负载上得到的整流电压是单方向的，此电路只有半个周期有波形，另外半个周期无波形，因此称其为半波整流电路。单相半波整流电路虽然结构简单，所用元件少，但变压器利用率和整流效率低，输出电压脉动大，因此，单相半波整流电路只适用于小电流且对直流电源要求不高的场合。2045.0UUUO的平均值为：IO的平均值为：LRUI/45.020URM的值为：22UURM模拟电子技术与应用1.3.2单相全波整流电路1.单相全波整流电路的构成为提高电源的利用率，可将两个半波整流电路合起来组成一个单相全波整流电路，如图所示。单相全波整流电路模拟电子技术与应用2.单相全波整流电路的工作原理二极管VD1，VD2在正、负半周轮流导通，且流过负载RL的电流为同一方向，故在正、负半周，负载上均有输出电压。UO的平均值为：IO的平均值为：URM的值为：200.9